路基平衡濕度的分布規(guī)律及影響因素研究

覃宇麗 張亞芳

摘要：文章為分析不同因素對(duì)路基內(nèi)部的平衡濕度分布和演化規(guī)律的影響，基于Darcy定律、Fick理論和Fourier擴(kuò)散公式，采用VADOSE/W軟件，模擬了15 a內(nèi)長期氣候條件下路基內(nèi)部濕度平衡的動(dòng)態(tài)變化過程，通過現(xiàn)場監(jiān)測和規(guī)范計(jì)算評(píng)估了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性，并針對(duì)路堤高度、邊坡坡度及地下水位三大影響因素，分析路基內(nèi)部土體含水量隨時(shí)間的演變規(guī)律，為路基的設(shè)計(jì)與施工提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：路基平衡濕度;路堤高度;邊坡坡度;地下水位

0 引言

路基內(nèi)部濕度的變化對(duì)路基的強(qiáng)度、水穩(wěn)定性以及車輛荷載作用下的剛度都有顯著的影響，具體表現(xiàn)為路基濕度過大會(huì)造成公路長期路用性能降低并損壞路基[1-2]。然而，路基濕度的變化是多因素共同作用的結(jié)果，例如：氣候環(huán)境、路基斷面形式、路基土質(zhì)和地下水位等，路基濕度的預(yù)估方法與影響因素有割舍不開的聯(lián)系[3-4]。因此，掌握長期氣候作用下路基濕度平衡的分布規(guī)律及影響因素研究，能對(duì)在公路運(yùn)營期間保證路基長期穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)和施工提供理論指導(dǎo)與技術(shù)支持。

路基濕度平衡測定常采用的方法有試驗(yàn)法和數(shù)值模擬法兩種。在試驗(yàn)方面，Drumm[5]等通過現(xiàn)場含水率勘探試驗(yàn)，分析了路基的濕度狀態(tài)及變化范圍，總結(jié)出不同土質(zhì)路基與水分遷移之間的變化關(guān)系;Perera[6]等通過長期的現(xiàn)場監(jiān)測建立了不同土質(zhì)的吸力與TMI之間的關(guān)系，并結(jié)合土水特征曲線預(yù)估路基土的含水率;楊果林[7]等通過不同地區(qū)路基土室內(nèi)模型試驗(yàn)，在不同排水邊界、不同壓實(shí)條件下，分別模擬路基在晴天、積水、降雨等因素下路基土含水率變化規(guī)律。然而采用試驗(yàn)方法耗時(shí)長，難以檢測長期氣候作用下路基濕度平衡變化規(guī)律。近年來，基于濕度耦合理論的數(shù)值分析軟件逐漸運(yùn)用于氣候條件下路基濕度平衡的研究，如Rajeev[8]等通過室內(nèi)和現(xiàn)場試驗(yàn)確定路基內(nèi)部土體的初始濕度及濕度平衡變化規(guī)律，并采用數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者所得的數(shù)據(jù)結(jié)果吻合度較高;張銳[9]等模擬了廣西10 a內(nèi)氣候變化條件下包蓋膨脹土路堤濕度變化過程，并對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了平衡濕度隨吸力的變化規(guī)律，以及大氣長期作用下物理處治膨脹土路堤的濕度平衡規(guī)律。

在公路建設(shè)和運(yùn)營過程中，受長期自然氣候條件影響，路基濕度場是一個(gè)不斷變化的過程，路基濕度的影響因素復(fù)雜多變，不同因素對(duì)路基濕度平衡規(guī)律和濕度狀態(tài)有何影響，是值得探討的問題。為此，本文以廣西百泮二級(jí)公路改擴(kuò)建工程某黏土邊坡為依托，采用數(shù)值模擬法對(duì)新建公路路基平衡濕度進(jìn)行預(yù)估研究，分析路基長期濕度場演化規(guī)律，通過現(xiàn)場監(jiān)測和規(guī)范計(jì)算對(duì)比評(píng)估路基內(nèi)部濕度平衡分布規(guī)律的數(shù)值模擬結(jié)果，并探討路堤高度、邊坡坡度和地下水位對(duì)路基平衡濕度的影響。

1 濕熱耦合計(jì)算理論

大氣通過降雨和蒸發(fā)頻繁地與路基內(nèi)部和表面進(jìn)行著水熱交換，其產(chǎn)生的水熱梯度驅(qū)使水、汽在路基內(nèi)部遷移，從而改變路基的濕度狀態(tài)。這一過程是濕熱耦合的過程，可以采用非飽和土濕熱耦合計(jì)算理論進(jìn)行分析[10]。

非飽和土中液態(tài)水的流動(dòng)遵循Darcy定律，水蒸氣的擴(kuò)散遵循Fick理論，熱傳導(dǎo)遵循Fourier擴(kuò)散公式，因此，分別考慮液態(tài)水流動(dòng)、平流過程中產(chǎn)生水蒸氣擴(kuò)散以及熱傳導(dǎo)的非飽和土的水熱耦合的控制方程為：

基于上述濕熱耦合理論就可以建立路基濕度數(shù)值計(jì)算方法，在長期氣候條件下（降雨量、氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速等）對(duì)路基平衡濕度變化規(guī)律進(jìn)行建模和計(jì)算。

2 路基平衡濕度的分布規(guī)律

2.1 數(shù)值模型的建立

根據(jù)廣西百泮二級(jí)公路擴(kuò)建工程某黏土邊坡建設(shè)實(shí)際狀況，通過現(xiàn)場調(diào)研選取數(shù)值計(jì)算的幾何模型為：路堤高度為8 m，路堤頂面寬9 m，地基厚度為5 m。由于路基橫斷面為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此為簡化計(jì)算，選取路基中線右側(cè)建立模型，并以A點(diǎn)作為分析特征點(diǎn)。路基計(jì)算模型和網(wǎng)格劃分如圖1所示。

為全面了解路基在建成通車多年后內(nèi)部土體的平衡濕度，通過室內(nèi)外試驗(yàn)獲取路基土的基本物理力學(xué)指標(biāo)、土水特性和滲透特性參數(shù)，對(duì)大氣及地下水作用下的路基在路堤高度、邊坡坡度和地下水位單因素變化情況下路基內(nèi)部土體的路基平衡濕度分布規(guī)律進(jìn)行探討，設(shè)置如下三種數(shù)值模擬計(jì)算方案來對(duì)路基邊坡內(nèi)部土體平衡濕度的變化規(guī)律進(jìn)行模擬。主要數(shù)值模擬方案如表1所示。

通過氣象站獲得該地區(qū)2016—2017年全年的降雨量、風(fēng)速、氣溫、相對(duì)濕度等氣象數(shù)據(jù)的變化曲線如圖2所示。為研究長期氣候作用下路基濕度平衡演化規(guī)律，假定計(jì)算周期為15 a，并假設(shè)每年的氣象變化一致。

2.2 路基平衡濕度變化規(guī)律

路基內(nèi)部濕度在氣候條件的長期作用下變化比較明顯，下頁圖3為15 a內(nèi)路基內(nèi)部飽和度的變化云圖。初始狀態(tài)時(shí)，路基內(nèi)部的飽和度相對(duì)較低，且濕度分布比較均勻。經(jīng)過1 a的氣候以及地下水的影響，此時(shí)路基內(nèi)部的整體飽和度較初始狀態(tài)時(shí)有了一定程度的提高，路面結(jié)構(gòu)層以下的路基土飽和度從上到下逐漸升高，且在邊坡表層一定深度內(nèi)的路基土飽和度比路基內(nèi)部飽和度低。3 a后，路基內(nèi)部的飽和度仍然在變化，并逐步趨于穩(wěn)定。經(jīng)觀察5 a后和15 a后的濕度場變化情況不難發(fā)現(xiàn)，路基內(nèi)部土體的飽和度基本上不再受到氣候條件及地下水作用的影響，飽和度已經(jīng)趨于穩(wěn)定，這說明濕度的變化經(jīng)歷快速上升、緩慢增加和濕度平衡三個(gè)階段，3～5 a內(nèi)路基內(nèi)部的濕度達(dá)到了平衡狀態(tài)。當(dāng)路基內(nèi)部的濕度達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，路基土體的整體飽和度會(huì)比初始狀態(tài)時(shí)的整體飽和度有所提高，降雨入滲和地下水位的升高使路基土的濕度增加。同時(shí)，越接近地下水位線，土體的飽和度越高，地下水位變化對(duì)路基內(nèi)部濕度的影響要強(qiáng)于降雨入滲對(duì)路基濕度的影響。

2.3 路基濕度預(yù)估比對(duì)

[JP3]布設(shè)距地下水位不同高程的5個(gè)觀測點(diǎn)，以現(xiàn)場監(jiān)測測點(diǎn)的質(zhì)量含水率，以及計(jì)算規(guī)范預(yù)估[11]的飽和度為研究對(duì)象，與數(shù)值模型結(jié)果進(jìn)行路基平衡濕度的變化規(guī)律的預(yù)估比對(duì)，結(jié)果見表2。數(shù)值模擬計(jì)算所得的路基濕度值在規(guī)范預(yù)估值的范圍內(nèi)，與范圍值相差不到5%，滿足規(guī)范計(jì)算精度。模擬計(jì)算所得值與現(xiàn)場監(jiān)測的數(shù)據(jù)相差不大，說明了采用數(shù)值模擬預(yù)估15 a內(nèi)濕度平衡變化規(guī)律具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。

3 路基平衡濕度影響因素分析

3.1 路堤高度對(duì)路基平衡濕度的影響

由圖4可知，當(dāng)路堤高度分別為5 m、8 m和10 m時(shí)，路基分別運(yùn)營3.16 a、4.15 a和5.38 a后內(nèi)部A點(diǎn)處濕度分別達(dá)到平衡狀態(tài)。因此可以看出，路基高度不同，內(nèi)部點(diǎn)達(dá)到濕度平衡狀態(tài)的時(shí)間也不相同，即路基高度越高，路基內(nèi)部點(diǎn)達(dá)到濕度平衡狀態(tài)所用的時(shí)間越長;路基高度越低，內(nèi)部測試點(diǎn)達(dá)到濕度平衡狀態(tài)所需時(shí)間也就越短，且不同路基高度下的A點(diǎn)平衡濕度是一致的。當(dāng)路基高度增加后，路基內(nèi)部土體達(dá)到平衡濕度時(shí)地下水位上升高度也增加。[JP4]因?yàn)?，在路基邊坡坡度保持一定的情況下，提高路基高度，路基邊坡坡長相應(yīng)變長，在相同時(shí)間內(nèi)，大氣降雨和蒸發(fā)等自然因素對(duì)路基內(nèi)部土體濕度的影響越大，降雨入滲的雨水不斷補(bǔ)給上升的毛細(xì)水，且在降雨入滲條件下，坡腳處積水迅速地滲入到路基中，進(jìn)而導(dǎo)致地下水上升。

3.2 邊坡坡度對(duì)路基平衡濕度的影響

路基邊坡坡度不同，路基內(nèi)部土體達(dá)到濕度平衡狀態(tài)所需時(shí)間不同。如圖5所示，坡度為1∶1.75時(shí)，路基內(nèi)部達(dá)到濕度平衡狀態(tài)所需的時(shí)間最短，坡度1∶1.5次之，坡度1∶1最長。換言之，路基邊坡坡度越緩，路基內(nèi)部達(dá)到濕度平衡狀態(tài)所需的時(shí)間越短;坡度越陡，路基內(nèi)部達(dá)到濕度平衡狀態(tài)所需時(shí)間越長，且對(duì)土樣含水量的影響也就越大。坡度為1∶1.75時(shí)A點(diǎn)平衡濕度為37.7%，坡度為1∶1.5時(shí)A點(diǎn)平衡濕度為37.6%，坡度為1∶1時(shí)A點(diǎn)平衡濕度為37.5%，路基邊坡坡度對(duì)平衡濕度影響不大，只對(duì)平衡時(shí)間有影響。這是因?yàn)槁坊吰缕露仍骄彛旅媸艽髿饨涤暧绊懙娜霛B面越大，且大氣降雨在坡面的停滯時(shí)間越長，從而使緩坡在大氣降雨過程中所積累的水分較陡坡更多。其次，在氣候因素的影響下，緩坡坡面受溫度、風(fēng)速等作用的面積較大，其路基土體溫度上升也比陡坡明顯。

3.3 地下水位對(duì)路基平衡濕度的影響

如圖6所示，隨著時(shí)間的推移，A點(diǎn)體積含水量逐漸增加，當(dāng)增加到一定含水量時(shí)將趨于穩(wěn)定狀態(tài)，且A點(diǎn)越接近地下水位，增長趨勢(shì)就越明顯。初始地下水位不同，路基內(nèi)部土體達(dá)到平衡狀態(tài)所需的時(shí)間也不相同，初始地下水位越高，路基內(nèi)部土體達(dá)到濕度平衡狀態(tài)所需的時(shí)間越短，初始地下水位越低，路基內(nèi)部土體達(dá)到濕度平衡狀態(tài)所需的時(shí)間越長。地下水位越高，A點(diǎn)平衡濕度越大，地下水位越低，A點(diǎn)平衡濕度越小，即B2點(diǎn)平衡濕度：地下水1 m>地下水2 m>地下水3 m。這是由于地下水在毛細(xì)作用的影響下進(jìn)入路基，使路基土含水量增大直至達(dá)到平衡狀態(tài)。初始地下水位不同，路基土毛細(xì)作用上升到路基內(nèi)部同一層位所需時(shí)間不同，越接近初始地下水位，各測點(diǎn)路基土毛細(xì)作用上升到同一層位所需時(shí)間越短，且達(dá)到該層位的路徑也越短，否則相反。路基填土均為非飽和土，路基土毛細(xì)作用主要來自非飽和土的基質(zhì)吸力的作用，在毛細(xì)作用的影響下，地下水向路基內(nèi)部遷移，縮短了毛細(xì)作用的路徑，路基內(nèi)部土體濕度逐漸增加，可以看出，地下水位上升和下降對(duì)毛細(xì)作用有著顯著的影響。

4 結(jié)語

（1）受長期氣候因素的影響，路基整體濕度隨降雨入滲和地下水位抬高而增加，濕度的變化經(jīng)歷快速上升、緩慢增加和濕度平衡三個(gè)階段，3～5 a內(nèi)路基內(nèi)部的濕度達(dá)到了平衡狀態(tài)。當(dāng)路基內(nèi)部的濕度達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，路基土體的整體飽和度會(huì)比初始狀態(tài)時(shí)的整體飽和度有所提高。數(shù)值模擬計(jì)算所得的路基濕度與規(guī)范計(jì)算和現(xiàn)場監(jiān)測的平衡濕度接近。

（2）[JP3]路基高度越高，路基內(nèi)部點(diǎn)達(dá)到濕度平衡狀態(tài)所用的時(shí)間越長，路基高度越低，達(dá)到濕度平衡狀態(tài)所需時(shí)間越短。路基高度不同，中心點(diǎn)平衡濕度相同。[JP2]

（3）邊坡坡度越小，達(dá)到濕度平衡狀態(tài)所需的時(shí)間越短，坡度越大，達(dá)到濕度平衡狀態(tài)所需的時(shí)間越長，且對(duì)土樣含水量的影響越大。路基坡度對(duì)內(nèi)部土體平衡濕度影響不大。

（4）初始地下水位不同，路基內(nèi)部土體達(dá)到平衡狀態(tài)所需的時(shí)間不相同，初始地下水位越高，其達(dá)到濕度平衡狀態(tài)所需的時(shí)間越短，平衡濕度越大。

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